纖維增強復(fù)合材料加固混凝土疊合梁受彎性能研究

摘 要：以長方體疊合梁為研究對象；通過纖維增強應(yīng)變水泥基復(fù)合材料－鋼筋混凝土疊合梁三點抗彎試驗；從裂縫發(fā)展情況、抗彎能力以及變形能力等方面展開；討論纖維性質(zhì)和養(yǎng)護齡期對疊合梁產(chǎn)生的影響；并與普通鋼筋混凝土疊合梁進行比較分析。發(fā)現(xiàn)纖維增強應(yīng)變水泥基復(fù)合材料-鋼筋混凝土疊合梁較之普通鋼筋混凝土疊合梁有著更好的承載能力與抗彎性能；可以將限裂與分散混凝土裂縫的作用發(fā)揮出來。纖維增強應(yīng)變水泥基復(fù)合材料代替混凝土保護層技術(shù)能夠推廣并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固修復(fù)作業(yè)中。

展形態(tài)的影響。

關(guān)鍵詞：纖維增強應(yīng)變水泥基復(fù)合材料；鋼筋混凝土；疊合梁；受彎性能

中圖分類號：TQ177.6 + 7；TU528 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0115-04

Study on flexural behavior of concrete composite beamsreinforced by fiber reinforced composite materials

LV Yanfeng

（TaiZhou People’s Hospital，Infrastructure Section，Taizhou 225300，Jiangsu China）

Abstract：Taking cuboid superimposed beams as the research object；through the three-point bending test of fiber-re?inforced strain cement-based composites and reinforced concrete superimposed beams；the influences of fiber proper?ties and curing age on the crack development；bending capacity and deformation capacity of superimposed beams arestudied；and compared with ordinary reinforced concrete superimposed beams. It is found that fiber-reinforced straincement-based composite beams with reinforced concrete have better bearing capacity and flexural performance thanordinary reinforced concrete composite beams；and can play the role of crack limiting and dispersing concrete cracks.Therefore；the technology of fiber-reinforced strain cement-based composite replacing concrete protective layer canbe popularized and applied in structural reinforcement and repair operations.

Key words：SHCC；RC；superposed beam；flexural property

纖維增強復(fù)合材料（FEP）是一種較為新穎的復(fù)合材料，表現(xiàn)出強度高、耐腐蝕以及質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點，在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Υ?[1] 。在各類纖維增強復(fù)合材料中，纖維增強應(yīng)變水泥基復(fù)合材料（SHCC）[2] 通過對纖維、基體和纖維/基體界面進行優(yōu)化發(fā)展而來，其韌性非常強，且有著十分理想的裂縫無害化分散能力，基于自身所具有優(yōu)勢的支持，此類材料既能將混凝土結(jié)構(gòu)保護層的作用發(fā)揮出來，又可以對局部破損的混凝土進行替換，進而達(dá)到在明顯程度上提高建筑構(gòu)件安全度、延長其使用壽命的重要目的。學(xué)者們針對SHCC對普通鋼筋混凝土梁受拉區(qū)進行替代所做的研究較少，針對其影響因素和作用機理，取得的研究結(jié)果還較為模糊。本文進行纖維 增 強 應(yīng) 變 水 泥 基 復(fù) 合 材 料 - 鋼 筋 混 凝 土（SHCC-RC）[3] 疊合梁三點抗彎，對纖維性質(zhì)以及養(yǎng)護齡期影響SHCC-RC疊合梁抗彎能力與變形能力的情況進行探究，為今后SHCC結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及其價值的有效發(fā)揮提供相應(yīng)參考及支持。

1 實驗準(zhǔn)備

1.1 原材料與配合比

水泥選用為P·O42.5級水泥，粉煤灰則用Ⅱ級粉煤灰。SHCC中，砂的最大粒徑為0.3mm，纖維名稱及其性能，SHCC與混凝土配合比分別如表1和表2所示。石子的選用需要控制其中砂與粒徑在10mm以內(nèi)。

1.2 試件尺寸與試驗方法

試件的幾何尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，配置2φ6.5，計算配筋率為1%，應(yīng)當(dāng)被劃歸至適筋梁的范疇。在疊合構(gòu)件成型之時，先進行厚度為400 mm的SHCC基體的澆筑，并利用抹刀對其進行抹平處理，在帶模室溫進行時長為24 h的養(yǎng)護處理以后，在其上進行混凝土的澆筑，并覆蓋一層塑料薄膜，對水分蒸發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生加以規(guī)避。在室溫條件下進行24 h養(yǎng)護之后進行脫模處理，之后標(biāo)養(yǎng)至試驗齡期。同時進行3個鋼筋混凝土梁的澆筑，澆筑尺寸與試件幾何尺寸相同，將其作為對比試件。分別用AR7與AR14表示A配合比進口纖維，齡期分別為7 d與14 d；用AT7與AT14表示A配合比國產(chǎn)纖維，齡期同樣分別為7 d與14 d；分別用RC7與RC14表示混凝土梁試件，齡期分別為7 d與14 d。

1.3 分析方法

利用電子拉伸試驗機對試件的抗彎速度設(shè)定（以1 mm/min為標(biāo)準(zhǔn)），數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)為50 ms。待荷載-跨中位移曲線確定后，對初裂荷載、峰值荷載、撓度及韌性指數(shù)等相關(guān)指標(biāo)進行分析。

對延性不理想的構(gòu)件，當(dāng)達(dá)自身最大承載力時，會出現(xiàn)脆性破壞問題。為此需對這一情況以規(guī)避。就結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面，不僅要做到對承載能力相關(guān)要求的有效滿足，還需要在一定程度上彰顯出延性優(yōu)勢，這能在較為明顯的程度上實現(xiàn)對地震能量的吸收或耗散，進而實現(xiàn)對脆性破壞現(xiàn)象發(fā)生率的有效降低。此處通過位移延性系數(shù)進行計算。

三點抗彎強度的計算公式如下：

式中： F 為在試件的中部位置施加的荷載； l 為2個支座之間的實際距離； b 與 h 分別表示試件的截面寬度與高度。

對于延性并不理想的構(gòu)件來說，其在后期的變形能力會降低，一旦達(dá)到自身的最大承載力，便會出現(xiàn)脆性破壞問題，需要對這一情況加以規(guī)避。針對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面，不僅要做到對承載能力相關(guān)要求的有效滿足，還需要在一定程度上彰顯出延性優(yōu)勢，這能夠在較為明顯的程度上實現(xiàn)對地震能量的吸收或耗散，進而實現(xiàn)對脆性破壞現(xiàn)象發(fā)生率的有效降低。

此處通過位移延性系數(shù)進行計算，公式如下：

μ D =D u /D y （2）

式中： D u 表示的是在達(dá)到梁極限狀態(tài)以后梁的跨中變形； D y 表示的是與梁初始屈服荷載點相對應(yīng)的跨中變形。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同纖維影響下的SHCC-RC疊合梁抗裂性能

圖1所示為2種不同性質(zhì)的纖維SHCC-RC疊合梁側(cè)部裂縫示意圖。

由 圖 1（a）可 看 出 ，進 口 纖 維 與 國 產(chǎn) 纖 維SHCC-RC疊合梁在對裂縫發(fā)展形態(tài)的控制上并不相同，且這一差異較為明顯。在初始加載狀態(tài)之下，側(cè)部SHCC層會有一些顯微裂縫出現(xiàn)，這些裂縫較為細(xì)小，但是在荷載持續(xù)增加的過程中，裂縫的數(shù)量會越來越多，對其特點進行概括，當(dāng)為樹根狀分散。由圖1（b）可知，國產(chǎn)纖維SHCC-RC疊合梁側(cè)部SHCC層有寬度并不相同的裂縫出現(xiàn)，數(shù)量約為6～13條，另外與荷載的不斷增加相伴隨，SHCC層的細(xì)小裂縫有貫穿為主裂縫的發(fā)展趨勢。

由此可知，受到纖維直徑、延伸率、抗拉強度等相關(guān)因素的影響，對于具有不同纖維性質(zhì)的SHCC-RC疊合梁而言，其抗裂性能有相應(yīng)的差異顯現(xiàn)出來。

因而，在攪拌作業(yè)開展過程中有一定的“團結(jié)”現(xiàn)象出現(xiàn)的可能，這會導(dǎo)致成型均勻性不理想問題的發(fā)生，對于疊合梁而言，這同樣是對其抗裂能力產(chǎn)生影響的一個因素。

由此可知，受到纖維直徑、延伸率、抗拉強度等相關(guān)因素的影響，對于具有 不 同 纖 維 性 質(zhì) 的SHCC-RC疊合梁而言，其抗裂性能有相應(yīng)差異顯現(xiàn)出來。因為進口纖維表面采用了特殊的措施做過處理，在拌合物中的流動成型性能比較好，但是國產(chǎn)纖維并沒有進行特殊的表面處理，因而在攪拌作業(yè)的開展過程中有一定的團結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)可能，而這會導(dǎo)致成型均勻性不理想問題的發(fā)生，對于疊合梁而言，這同樣是對其抗裂能力產(chǎn)生影響的一個因素。

2.2 齡期對SHCC-RC疊合梁抗彎性能的影響

此處以進口纖維SHCC-RC疊合梁為例進行三點抗彎試驗，得到如圖2所示結(jié)果。

由圖2可以知道，與養(yǎng)護齡期的不斷延長相伴隨，疊合梁試件的開裂載荷、承載力以及韌性均有相應(yīng)的增加之勢顯現(xiàn)出來。通過統(tǒng)計并分析不同養(yǎng)護齡期下的疊合梁試件極限荷載，可以得出如下結(jié)論：（1）齡期為14 d的疊合梁試件極限荷載是齡期為7 d的疊合梁試件極限荷載的1.23倍；（2）在彈性階段，進口纖維SHCC-RC疊合梁剛度的變化并不明顯。

另外，圖3所示為養(yǎng)護齡期分別為7 d與14 d時進口纖維SHCC-RC疊合梁試件在實際加載過程中底部位置的裂縫情況。

對圖3進行觀察和分析可知，當(dāng)試件的齡期為7 d時，與齡期為14 d時相比，前者的裂縫數(shù)量要多一些；從裂縫寬度來看，當(dāng)為前者小于后者。由抗彎強度公式 EI=M/ψ 可知，疊合梁中細(xì)小裂縫的出現(xiàn)能夠?qū)B合梁擾度變形現(xiàn)象降至一個相對較低的水平。養(yǎng)護齡期為7 d的SHCC-RC疊合梁剛度較之養(yǎng)護齡期為14 d的SHCC-RC疊合梁剛度要更大一些。

2.3 SHCC-RC疊合梁三點彎曲試驗分析

表3所示為SHCC-RC疊合梁與RC梁三點彎曲荷載-位移曲線試驗結(jié)果。

由表3可知，齡期為7 d的SHCC-RC疊合梁開裂荷載及其剛度較普通鋼筋混凝土梁而言并沒有很大的差別，但其在達(dá)到極限荷載時，對能量的吸收較之普通鋼筋混凝土梁要小得多。究其原因，主要可以概括如下：相較于相同齡期的混凝土而言，齡期為7 d的SHCC在基體變形性能上的表現(xiàn)要優(yōu)異的多，故而裂縫最早會在混凝土層出現(xiàn)。不僅如此，在齡期為7 d時，SHCC層與混凝土層中粉煤灰所發(fā)生的水化現(xiàn)象并不是非常充分，這導(dǎo)致其界面的黏結(jié)不能滿足緊密性要求，疊合層開裂荷載后脫層導(dǎo)致這一狀況的出現(xiàn)。

另外，當(dāng)齡期為14 d時，對AR14與AT14纖維SHCC-RC疊合梁和普通鋼筋混凝土RC14進行比較，前者開裂荷載的提升比較明顯，而這在一定程度上延遲疊合梁初始裂縫的出現(xiàn)時間，且在出現(xiàn)裂縫之后，發(fā)展速度相對而言比較慢，意味著SHCC將一定的對裂縫進行限制的作用發(fā)揮了出來。相較于RC14而言，AR14與AT14的極限荷載均得到了較為明顯的提升，且AR14的提升更加明顯。

3 結(jié)語

本文對SHCC-RC疊合梁三點彎曲試驗進行研究，從承載力、變形以及裂縫寬度等方面展開，對SHCC-RC疊合梁和普通鋼筋混凝土梁進行比較分析，得到以下研究結(jié)論：SHCC在出現(xiàn)裂縫以后并不會停止工作，而是和鋼筋進行拉力的共同承擔(dān)，依舊可以承載較之起裂荷載更高的拉力。相較于普通鋼筋混凝土梁而言，SHCC-RC疊合梁有著明顯的提升承載力的作用。另外，SHCC-RC疊合梁在韌性方面同樣有較為優(yōu)異的表現(xiàn)，雖然裂縫的數(shù)量比較多，但這些裂縫的寬度大多控制在比較小的水平。

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（責(zé)任編輯：蘇 幔）